Sumber utama tenaga haba Bumi ialah [ , ]:

• pembezaan graviti haba;
• haba radiogenik;
• haba geseran pasang surut;
• haba pertambahan;
• haba geseran yang dilepaskan disebabkan oleh putaran pembezaan teras dalam berbanding teras luar, teras luar berbanding dengan mantel dan lapisan individu di dalam teras luar.

Sehingga kini, hanya empat sumber pertama telah dikira. Di negara kita, merit utama dalam hal ini adalah milik O.G. Sorokhtin dan S.A. Ushakov. Data berikut terutamanya berdasarkan pengiraan saintis ini.

Haba pembezaan graviti Bumi

Salah satu ketetapan yang paling penting dalam pembangunan Bumi ialah pembezaan kandungannya, yang berterusan pada masa sekarang. Pembezaan ini mengakibatkan pembentukan teras dan kerak, perubahan dalam komposisi primer jubah, manakala pemisahan bahan yang awalnya homogen kepada pecahan ketumpatan yang berbeza disertai dengan pelepasan tenaga haba, dan pelepasan haba maksimum berlaku apabila jirim daratan dibahagikan kepada teras padat dan berat dan baki lebih ringan cangkerang silikat mantel bumi. Pada masa ini, kebanyakan haba ini dihasilkan di sempadan mantel - teras.

Tenaga Pembezaan Graviti Bumi sepanjang masa kewujudannya menonjol - 1.46 * 10 38 erg (1.46 * 10 31 J). Diberi tenaga untuk sebahagian besar mula-mula masuk ke tenaga kinetik arus perolakan bahan mantel, dan kemudian masuk hangat; sebahagian lagi dibelanjakan untuk tambahan mampatan bahagian dalam bumi, timbul akibat kepekatan fasa padat di bahagian tengah Bumi. daripada 1.46*10 38 erg tenaga pembezaan graviti Bumi pergi ke pemampatan tambahannya 0.23*10 38 erg (0.23*10 31 J), dan dalam bentuk haba yang dibebaskan 1.23*10 38 erg (1.23*10 31 J). Magnitud komponen haba ini dengan ketara melebihi jumlah pelepasan di Bumi semua jenis tenaga lain. Taburan masa bagi jumlah nilai dan kadar pelepasan komponen haba tenaga graviti ditunjukkan dalam Rajah. 3.6 .

nasi. 3.6.

Tahap penjanaan haba semasa semasa pembezaan graviti Bumi - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), yang bergantung kepada nilai fluks haba moden yang melalui permukaan planet dalam ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / s ((4.2-4.3)*10 13W), ialah ~ 70% .

haba radiogenik

Disebabkan oleh pereputan radioaktif yang tidak stabil isotop. Yang paling intensif tenaga dan tahan lama ( dengan separuh hayat bersesuaian dengan umur Bumi) ialah isotop 238 U, 235 U, ke-232 dan 40K. Kebanyakan mereka tertumpu di kerak benua. Tahap generasi moden haba radiogenik:

• oleh ahli geofizik Amerika V.Vakye - 1.14*10 20 erg/s (1.14*10 13W) ,
• menurut ahli geofizik Rusia O.G. Sorokhtin dan S.A. Ushakov - 1.26*10 20 erg/s(1.26*10 13W) .

Daripada nilai aliran haba moden, ini adalah ~ 27-30%.

Daripada jumlah haba pereputan radioaktif masuk 1.26*10 20 erg/s (1.26*10 13W) di kerak bumi terserlah - 0.91*10 20 erg/s, dan dalam mantel - 0.35*10 20 erg/s. Ia berikutan daripada ini bahawa bahagian haba radiogenik mantel tidak melebihi 10% daripada jumlah kehilangan haba moden Bumi, dan ia tidak boleh menjadi sumber tenaga utama untuk proses tektono-magmatik aktif, yang kedalamannya boleh mencapai 2900 km. ; dan haba radiogenik yang dibebaskan dalam kerak secara relatifnya cepat hilang melalui permukaan bumi dan boleh dikatakan tidak mengambil bahagian dalam pemanasan bahagian dalam planet ini.

Pada zaman geologi yang lalu, jumlah haba radiogenik yang dibebaskan dalam mantel mestilah lebih tinggi. Anggarannya pada masa pembentukan Bumi ( 4.6 bilion tahun dahulu) memberi - 6.95*10 20 erg/s. Sejak masa itu, terdapat penurunan yang stabil dalam kadar pelepasan tenaga radiogenik (Rajah 1). 3.7 ).

Untuk sepanjang masa di Bumi menonjol ~4.27*10 37 erg(4.27*10 30 J) tenaga haba pereputan radioaktif, yang hampir tiga kali lebih rendah daripada jumlah nilai haba pembezaan graviti.

Haba geseran pasang surut

Ia menonjol semasa interaksi graviti Bumi, terutamanya dengan Bulan, sebagai jasad kosmik besar yang terdekat. Disebabkan tarikan graviti bersama, ubah bentuk pasang surut berlaku dalam badan mereka - bengkak atau bonggol. Bonggol pasang surut planet, dengan tarikan tambahan mereka, mempengaruhi pergerakan mereka. Oleh itu, tarikan kedua-dua bonggol pasang surut Bumi mewujudkan sepasang daya yang bertindak di Bumi sendiri dan di Bulan. Walau bagaimanapun, pengaruh bengkak yang dekat dan menghadap bulan agak lebih kuat daripada yang jauh. Disebabkan oleh fakta bahawa halaju sudut putaran Bumi moden ( 7.27*10 -5 s -1) melebihi halaju orbit Bulan ( 2.66*10 -6 s -1), dan bahan planet tidak elastik, maka bonggol pasang surut Bumi, seolah-olah, terbawa-bawa oleh putaran ke hadapan dan nyata mendahului pergerakan Bulan. Ini membawa kepada fakta bahawa pasang surut maksimum Bumi sentiasa berlaku di permukaannya agak lewat daripada masa ini klimaks Bulan, dan momen tambahan kuasa bertindak di Bumi dan Bulan (Gamb. 3.8 ) .

Nilai mutlak daya interaksi pasang surut dalam sistem Bumi-Bulan kini agak kecil dan ubah bentuk pasang surut litosfera yang disebabkan oleh mereka boleh mencapai hanya beberapa puluh sentimeter, tetapi ia membawa kepada nyahpecutan secara beransur-ansur Bumi. putaran dan, sebaliknya, kepada pecutan gerakan orbit Bulan dan penyingkirannya dari Bumi. Tenaga kinetik pergerakan bonggol pasang surut bumi ditukar kepada tenaga haba akibat geseran dalaman jirim dalam bonggol pasang surut.

Pada masa ini, kadar pembebasan tenaga pasang surut oleh G. McDonald ialah ~0.25*10 20 erg/s (0.25*10 13W), manakala bahagian utamanya (kira-kira 2/3) mungkin meresap(tersebar) dalam hidrosfera. Akibatnya, pecahan tenaga pasang surut yang disebabkan oleh interaksi Bumi dengan Bulan dan terlesap di Bumi pepejal (terutamanya di astenosfera) tidak melebihi 2 % jumlah tenaga haba yang dijana dalam kedalamannya; dan pecahan pasang surut matahari tidak melebihi 20 % daripada pengaruh pasang surut bulan. Oleh itu, pasang surut pepejal kini boleh dikatakan tidak memainkan peranan dalam memberi tenaga kepada proses tektonik, tetapi dalam beberapa kes ia boleh bertindak sebagai "pencetus", contohnya, gempa bumi.

Magnitud tenaga pasang surut secara langsung berkaitan dengan jarak antara objek angkasa. Dan jika jarak antara Bumi dan Matahari tidak menganggap sebarang perubahan ketara dalam skala masa geologi, maka dalam sistem Bumi-Bulan parameter ini adalah pembolehubah. Terlepas dari idea tentang, hampir semua penyelidik mengakui bahawa pada peringkat awal pembangunan Bumi, jarak ke Bulan jauh lebih rendah daripada yang moden, manakala dalam proses pembangunan planet, menurut kebanyakan saintis, ia secara beransur-ansur meningkat. , dan mengikut Yu.N. Avsyuku jarak ini mengalami perubahan jangka panjang dalam bentuk kitaran "ketibaan - berlepas" bulan. Ini membayangkan bahawa pada zaman geologi lalu peranan haba pasang surut dalam keseimbangan haba keseluruhan Bumi adalah lebih penting. Secara umum, sepanjang masa pembangunan Bumi, ia telah menonjol ~3.3*10 37 erg (3.3*10 30 J) tenaga haba pasang surut (ini tertakluk kepada penyingkiran berturut-turut Bulan dari Bumi). Perubahan dalam masa kadar pelepasan haba ini ditunjukkan dalam Rajah. 3.10 .

Lebih separuh daripada jumlah tenaga pasang surut telah dikeluarkan katarchee (hellea)) - 4.6-4.0 bilion tahun yang lalu, dan pada masa itu, hanya disebabkan tenaga ini, Bumi juga boleh menjadi panas sebanyak ~ 500 0 С. proses endogen intensif tenaga .

haba pertambahan

Ini adalah haba yang disimpan oleh Bumi sejak pembentukannya. Dalam proses pertambahan, yang berlangsung selama beberapa puluh juta tahun, akibat perlanggaran itu planetesimal Bumi telah mengalami pemanasan yang ketara. Pada masa yang sama, tidak ada konsensus mengenai magnitud pemanasan ini. Pada masa ini, penyelidik cenderung untuk mempercayai bahawa dalam proses pertambahan, Bumi mengalami, jika tidak lengkap, maka lebur separa yang ketara, yang membawa kepada pembezaan awal Proto-Bumi menjadi teras besi berat dan mantel silikat ringan, dan kepada pembentukan "lautan magma" pada permukaannya atau pada kedalaman cetek. Walaupun, sebelum tahun 1990-an, model Bumi primer yang agak sejuk dianggap secara praktikal diiktiraf secara universal, yang secara beransur-ansur menjadi panas disebabkan oleh proses di atas, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga haba.

Anggaran yang tepat bagi haba pertambahan primer dan bahagiannya yang telah bertahan sehingga masa kini dikaitkan dengan kesukaran yang ketara. Oleh O.G. Sorokhtin dan S.A. Ushakov, yang merupakan penyokong Bumi primer yang agak sejuk, nilai tenaga pertambahan yang ditukar kepada haba ialah - 20.13*10 38 erg (20.13*10 31 J). Tenaga ini jika tiada kehilangan haba akan mencukupi untuk penyejatan lengkap perkara darat, kerana suhu boleh meningkat kepada 30 000 0 С. Tetapi proses pertambahan adalah agak panjang, dan tenaga kesan planetesimal dilepaskan hanya pada lapisan berhampiran permukaan Bumi yang semakin meningkat dan cepat hilang dengan sinaran haba, jadi pemanasan awal planet tidak besar. Magnitud sinaran haba ini, yang selari dengan pembentukan (pertambahan) Bumi, dianggarkan oleh pengarang yang dinyatakan sebagai 19.4*10 38 erg (19.4*10 31 J) .

Dalam keseimbangan tenaga moden Bumi, haba pertambahan kemungkinan besar memainkan peranan yang tidak penting.

Tenaga ini tergolong dalam sumber alternatif. Pada masa kini, semakin kerap mereka menyebut kemungkinan mendapatkan sumber yang planet ini berikan kepada kita. Kita boleh mengatakan bahawa kita hidup dalam era fesyen untuk tenaga boleh diperbaharui. Banyak penyelesaian teknikal, rancangan, teori dalam bidang ini sedang dibuat.

Ia jauh di dalam perut bumi dan mempunyai sifat-sifat pembaharuan, dengan kata lain ia tidak berkesudahan. Sumber-sumber klasik, menurut saintis, mula kehabisan, minyak, arang batu, gas akan habis.

Loji Kuasa Geoterma Nesjavellir, Iceland

Oleh itu, seseorang secara beransur-ansur boleh bersedia untuk menerima pakai kaedah pengeluaran tenaga alternatif baru. Di bawah kerak bumi terdapat teras yang kuat. Suhunya berkisar antara 3000 hingga 6000 darjah. Pergerakan plat litosfera menunjukkan kuasa yang luar biasa. Ia memanifestasikan dirinya dalam bentuk sloshing gunung berapi magma. Di kedalaman, pereputan radioaktif berlaku, kadang-kadang menyebabkan bencana alam seperti itu.

Biasanya magma memanaskan permukaan tanpa melampauinya. Beginilah cara geyser atau kolam air hangat diperolehi. Dengan cara ini, proses fizikal boleh digunakan untuk tujuan yang betul untuk manusia.

Jenis sumber tenaga geoterma

Ia biasanya dibahagikan kepada dua jenis: tenaga hidroterma dan petroterma. Yang pertama terbentuk kerana sumber panas, dan jenis kedua ialah perbezaan suhu di permukaan dan di kedalaman bumi. Untuk meletakkannya dalam perkataan anda sendiri, mata air hidroterma terdiri daripada wap dan air panas, manakala mata air petroterma tersembunyi jauh di bawah tanah.

Peta potensi pembangunan tenaga geoterma di dunia

Untuk tenaga petroterma, perlu menggerudi dua telaga, mengisi satu dengan air, selepas itu proses melonjak akan berlaku, yang akan datang ke permukaan. Terdapat tiga kelas kawasan geoterma:

• Geoterma - terletak berhampiran plat benua. Kecerunan suhu melebihi 80C/km. Sebagai contoh, komune Itali Larderello. Terdapat loji kuasa
• Separa haba - suhu 40 - 80 C / km. Ini adalah akuifer semula jadi, yang terdiri daripada batu hancur. Di beberapa tempat di Perancis, bangunan dipanaskan dengan cara ini.
• Normal - kecerunan kurang daripada 40 C/km. Perwakilan kawasan sedemikian adalah yang paling biasa

Mereka adalah sumber yang sangat baik untuk dimakan. Mereka berada di dalam batu, pada kedalaman tertentu. Mari kita lihat dengan lebih dekat klasifikasi:

• Epiterma - suhu dari 50 hingga 90 s
• Mesoterma - 100 - 120 s
• Hipoterma - lebih daripada 200 s

Spesies ini terdiri daripada komposisi kimia yang berbeza. Bergantung padanya, air boleh digunakan untuk pelbagai tujuan. Sebagai contoh, dalam pengeluaran elektrik, bekalan haba (laluan haba), asas bahan mentah.

Video: Tenaga Geoterma

Proses bekalan haba

Suhu air adalah 50 -60 darjah, yang optimum untuk pemanasan dan bekalan panas kawasan kediaman. Keperluan untuk sistem pemanasan bergantung pada lokasi geografi dan keadaan iklim. Dan orang ramai sentiasa memerlukan keperluan bekalan air panas. Untuk proses ini, GTS (stesen terma geoterma) sedang dibina.

Jika untuk pengeluaran tenaga haba klasik rumah dandang digunakan yang menggunakan bahan api pepejal atau gas, maka sumber geyser digunakan dalam pengeluaran ini. Proses teknikal adalah sangat mudah, komunikasi, laluan terma dan peralatan yang sama. Ia cukup untuk menggerudi telaga, membersihkannya dari gas, kemudian menghantarnya ke bilik dandang dengan pam, di mana jadual suhu akan dikekalkan, dan kemudian ia akan memasuki utama pemanasan.

Perbezaan utama ialah tidak perlu menggunakan dandang bahan api. Ini dengan ketara mengurangkan kos tenaga haba. Pada musim sejuk, pelanggan menerima bekalan haba dan air panas, dan pada musim panas hanya bekalan air panas.

Penjanaan kuasa

Mata air panas, geyser adalah komponen utama dalam pengeluaran tenaga elektrik. Untuk ini, beberapa skim digunakan, loji kuasa khas sedang dibina. Peranti GTS:

• tangki DHW
• Pam
• Pemisah gas
• Pemisah wap
• menjana turbin
• Kapasitor
• pam penggalak
• Tangki - lebih sejuk

Seperti yang anda lihat, elemen utama litar ialah penukar stim. Ini memungkinkan untuk mendapatkan stim yang telah dimurnikan, kerana ia mengandungi asid yang memusnahkan peralatan turbin. Adalah mungkin untuk menggunakan skema campuran dalam kitaran teknologi, iaitu air dan wap terlibat dalam proses tersebut. Cecair itu melalui seluruh peringkat penulenan daripada gas, serta wap.

Litar dengan sumber binari

Komponen kerja adalah cecair dengan takat didih yang rendah. Air terma juga terlibat dalam pengeluaran elektrik dan berfungsi sebagai bahan mentah sekunder.

Dengan bantuannya, wap sumber mendidih rendah terbentuk. GTS dengan kitaran kerja sedemikian boleh diautomatikkan sepenuhnya dan tidak memerlukan kehadiran kakitangan penyelenggaraan. Stesen yang lebih berkuasa menggunakan skema dua litar. Loji janakuasa jenis ini membolehkan mencapai kapasiti 10 MW. Struktur litar berganda:

• penjana wap
• Turbin
• Kapasitor
• Ejector
• Pam suapan
• Pengekonomi
• Penyejat

Penggunaan praktikal

Rizab sumber yang besar berkali-kali lebih besar daripada penggunaan tenaga tahunan. Tetapi hanya sebahagian kecil yang digunakan oleh manusia. Pembinaan stesen bermula pada tahun 1916. Di Itali, GeoTPP pertama dengan kapasiti 7.5 MW telah dicipta. Industri ini sedang giat membangun di negara-negara seperti: Amerika Syarikat, Iceland, Jepun, Filipina, Itali.

Penerokaan aktif tapak berpotensi dan kaedah pengekstrakan yang lebih mudah sedang dijalankan. Kapasiti pengeluaran semakin meningkat dari tahun ke tahun. Jika kita mengambil kira penunjuk ekonomi, maka kos industri sedemikian adalah sama dengan loji janakuasa haba arang batu. Iceland hampir sepenuhnya meliputi stok komunal dan perumahan dengan sumber GT. 80% rumah menggunakan air panas dari telaga untuk pemanasan. Pakar dari Amerika Syarikat mendakwa bahawa, dengan pembangunan yang betul, GeoTPP boleh menghasilkan 30 kali lebih banyak daripada penggunaan tahunan. Jika kita bercakap mengenai potensi, maka 39 negara di dunia akan dapat menyediakan diri mereka sepenuhnya dengan elektrik jika mereka menggunakan usus bumi hingga 100 peratus.

Istilah "tenaga geoterma" berasal daripada perkataan Yunani bumi (geo) dan terma (terma). sebenarnya, tenaga geoterma berasal dari bumi sendiri. Haba daripada teras bumi, yang suhu puratanya ialah 3600 darjah Celsius, dipancarkan ke arah permukaan planet.

Pemanasan mata air dan geiser di bawah tanah pada kedalaman beberapa kilometer boleh dilakukan menggunakan telaga khas yang melaluinya air panas (atau wap daripadanya) mengalir ke permukaan, di mana ia boleh digunakan secara langsung sebagai haba atau secara tidak langsung untuk menjana elektrik dengan menghidupkan turbin berputar.

Oleh kerana air di bawah permukaan bumi sentiasa diisi semula, dan teras bumi akan terus menghasilkan haba berbanding kehidupan manusia selama-lamanya, tenaga geoterma akhirnya akan bersih dan boleh diperbaharui.

Kaedah untuk mengumpul sumber tenaga Bumi

Hari ini, terdapat tiga kaedah utama untuk menuai tenaga geoterma: wap kering, air panas, dan kitaran binari. Proses wap kering secara langsung memacu pemacu turbin penjana kuasa. Air panas masuk dari bawah ke atas, kemudian disembur ke dalam tangki untuk menghasilkan wap untuk menggerakkan turbin. Kedua-dua kaedah ini adalah yang paling biasa, menjana ratusan megawatt elektrik di AS, Iceland, Eropah, Rusia dan negara lain. Tetapi lokasi adalah terhad, kerana loji ini hanya beroperasi di kawasan tektonik di mana ia lebih mudah untuk mengakses air yang dipanaskan.

Dengan teknologi kitaran binari, air suam (tidak semestinya panas) diekstrak ke permukaan dan digabungkan dengan butana atau pentana, yang mempunyai takat didih yang rendah. Cecair ini dipam melalui penukar haba, di mana ia menyejat dan dihantar melalui turbin sebelum diedarkan semula ke dalam sistem. Teknologi kitaran binari menyediakan berpuluh-puluh megawatt elektrik di AS: California, Nevada dan Kepulauan Hawaii.

Prinsip mendapatkan tenaga

Kelemahan mendapatkan tenaga geoterma

Pada peringkat utiliti, loji janakuasa geoterma mahal untuk dibina dan dikendalikan. Mencari lokasi yang sesuai memerlukan tinjauan telaga yang mahal tanpa jaminan untuk mencapai titik panas bawah tanah yang produktif. Bagaimanapun, penganalisis menjangkakan kapasiti ini akan meningkat hampir dua kali ganda dalam tempoh enam tahun akan datang.

Selain itu, kawasan dengan suhu tinggi sumber bawah tanah terletak di kawasan yang mempunyai gunung berapi geologi dan kimia yang aktif. "Titik panas" ini terbentuk di sempadan plat tektonik di tempat di mana keraknya agak nipis. Pasifik sering dirujuk sebagai cincin api untuk banyak gunung berapi di mana terdapat banyak titik panas, termasuk di Alaska, California dan Oregon. Nevada mempunyai ratusan titik panas yang meliputi sebahagian besar utara AS.

Terdapat kawasan lain yang aktif secara seismik. Gempa bumi dan pergerakan magma membolehkan air beredar. Di sesetengah tempat air naik ke permukaan dan mata air panas dan geiser semulajadi berlaku, seperti di Kamchatka. Air di geyser Kamchatka mencapai 95°C.

Salah satu masalah dengan sistem geyser terbuka ialah pembebasan bahan pencemar udara tertentu. Hidrogen sulfida - gas toksik dengan bau "telur busuk" yang sangat dikenali - sejumlah kecil arsenik dan mineral yang dibebaskan dengan wap. Garam juga boleh menimbulkan masalah alam sekitar.

Di loji kuasa geoterma luar pesisir, sejumlah besar garam mengganggu terkumpul di dalam paip. Dalam sistem tertutup, tiada pelepasan dan semua cecair yang dibawa ke permukaan dikembalikan.

Potensi ekonomi sumber tenaga

Titik aktif secara seismik bukanlah satu-satunya tempat di mana tenaga geoterma boleh ditemui. Terdapat bekalan berterusan haba yang boleh digunakan untuk tujuan pemanasan terus pada kedalaman mana-mana dari 4 meter hingga beberapa kilometer di bawah permukaan hampir di mana-mana sahaja di bumi. Malah tanah di halaman rumah sendiri atau di sekolah tempatan mempunyai potensi ekonomi untuk memberikan haba kepada rumah atau bangunan lain.

Di samping itu, terdapat sejumlah besar tenaga haba dalam formasi batuan kering sangat dalam di bawah permukaan (4 - 10 km).

Penggunaan teknologi baharu boleh mengembangkan sistem geoterma di mana orang ramai boleh menggunakan haba itu untuk menjana elektrik pada skala yang lebih besar daripada teknologi konvensional. Projek demonstrasi pertama prinsip penjanaan elektrik ini ditunjukkan di Amerika Syarikat dan Australia seawal 2013.

Sekiranya potensi ekonomi penuh sumber geoterma dapat direalisasikan, ia akan mewakili sumber elektrik yang besar untuk kapasiti pengeluaran. Para saintis mencadangkan bahawa sumber geoterma konvensional mempunyai potensi 38,000 MW, yang boleh menghasilkan 380 juta MW elektrik setahun.

Batuan kering panas berlaku pada kedalaman 5 hingga 8 km di mana-mana di bawah tanah dan pada kedalaman yang lebih cetek di tempat tertentu. Akses kepada sumber ini melibatkan pengenalan air sejuk yang beredar melalui batuan panas dan penyingkiran air yang dipanaskan. Pada masa ini tiada aplikasi komersial teknologi ini. Teknologi sedia ada belum membenarkan memulihkan tenaga haba secara langsung daripada magma, sangat dalam, tetapi ini adalah sumber tenaga geoterma yang paling berkuasa.

Dengan gabungan sumber tenaga dan ketekalannya, tenaga geoterma boleh memainkan peranan yang amat diperlukan sebagai sistem tenaga yang lebih bersih dan mampan.

Pembinaan loji kuasa geoterma

Tenaga geoterma ialah haba yang bersih dan mampan daripada Bumi. Sumber yang lebih besar terdiri daripada beberapa kilometer di bawah permukaan bumi, dan lebih dalam lagi, kepada batu cair suhu tinggi yang dipanggil magma. Tetapi seperti yang diterangkan di atas, orang masih belum mencapai magma.

Tiga Reka Bentuk Loji Kuasa Geoterma

Teknologi aplikasi ditentukan oleh sumber. Jika air datang dari perigi sebagai wap, ia boleh digunakan terus. Jika air panas cukup tinggi, ia mesti melalui penukar haba.

Telaga pertama untuk penjanaan kuasa telah digerudi sebelum tahun 1924. Telaga yang lebih dalam telah digerudi pada tahun 1950-an, tetapi pembangunan sebenar berlaku pada tahun 1970-an dan 1980-an.

Penggunaan langsung haba geoterma

Sumber geoterma juga boleh digunakan secara langsung untuk tujuan pemanasan. Air panas digunakan untuk memanaskan bangunan, menanam tumbuhan di rumah hijau, mengeringkan ikan dan tanaman, meningkatkan pengeluaran minyak, membantu proses perindustrian seperti pempasteur susu, dan memanaskan air di ladang ikan. Di AS, Klamath Falls, Oregon dan Boise, Idaho telah menggunakan air geoterma untuk memanaskan rumah dan bangunan selama lebih satu abad. Di pantai timur, bandar Warm Springs, Virginia menerima haba terus dari mata air menggunakan sumber haba di salah satu pusat peranginan tempatan.

Di Iceland, hampir setiap bangunan di negara ini dipanaskan oleh mata air panas. Malah, Iceland mendapat lebih daripada 50 peratus tenaga utamanya daripada sumber geoterma. Di Reykjavik, sebagai contoh (pop. 118,000), air panas disalurkan 25 kilometer di sepanjang penghantar, dan penduduk menggunakannya untuk pemanasan dan keperluan semula jadi.

New Zealand mendapat tambahan 10% daripada tenaga elektriknya. kurang dibangunkan, walaupun terdapat air terma.

Kehangatan bumi. Kemungkinan sumber haba dalaman

Geothermy- sains yang mengkaji medan haba Bumi. Purata suhu permukaan Bumi mempunyai kecenderungan umum untuk menurun. Tiga bilion tahun dahulu, purata suhu di permukaan Bumi ialah 71 o, kini 17 o. Sumber haba (terma ) Medan bumi adalah proses dalaman dan luaran. Haba Bumi disebabkan oleh sinaran matahari dan berasal dari perut planet ini. Nilai kemasukan haba dari kedua-dua sumber secara kuantitatif sangat berbeza dan peranannya dalam kehidupan planet ini berbeza. Pemanasan suria Bumi adalah 99.5% daripada jumlah haba yang diterima oleh permukaannya, dan pemanasan dalaman menyumbang 0.5%. Di samping itu, kemasukan haba dalaman sangat tidak rata di Bumi dan tertumpu terutamanya di tempat-tempat manifestasi gunung berapi.

Sumber luaran ialah sinaran suria . Separuh daripada tenaga suria diserap oleh permukaan, tumbuh-tumbuhan dan lapisan hampir permukaan kerak bumi. Separuh lagi dipantulkan ke angkasa dunia. Sinaran suria mengekalkan suhu permukaan bumi pada purata kira-kira 0 0 C. Matahari memanaskan lapisan permukaan Bumi hingga kedalaman purata 8 - 30 m, dengan kedalaman purata 25 m, pengaruh haba suria terhenti dan suhu menjadi malar (lapisan neutral). Kedalaman ini adalah minimum di kawasan yang mempunyai iklim maritim dan maksimum di kawasan Subpolar. Di bawah sempadan ini terdapat tali pinggang suhu malar yang sepadan dengan purata suhu tahunan kawasan itu. Jadi, sebagai contoh, di Moscow di wilayah pertanian. Akademi. Timiryazev, pada kedalaman 20 m, suhu sentiasa kekal sama dengan 4.2 o C sejak tahun 1882. Di Paris, pada kedalaman 28 m, termometer secara konsisten menunjukkan 11.83 o C selama lebih daripada 100 tahun. Lapisan dengan suhu malar adalah yang paling dalam di mana saka (permafrost. Di bawah tali pinggang suhu malar adalah zon geoterma, yang dicirikan oleh haba yang dihasilkan oleh Bumi itu sendiri.

Sumber dalaman adalah perut Bumi. Bumi memancarkan lebih banyak haba ke angkasa daripada yang diterima daripada Matahari. Sumber dalaman termasuk haba sisa dari masa planet ini cair, haba tindak balas termonuklear yang berlaku di dalam perut Bumi, haba mampatan graviti Bumi di bawah tindakan graviti, haba tindak balas kimia dan proses penghabluran. , dsb. (contohnya, geseran pasang surut). Haba dari usus datang terutamanya dari zon bergerak. Peningkatan suhu dengan kedalaman dikaitkan dengan kewujudan sumber haba dalaman - pereputan isotop radioaktif - U, Th, K, pembezaan graviti jirim, geseran pasang surut, tindak balas kimia redoks eksotermik, metamorfisme dan peralihan fasa. Kadar peningkatan suhu dengan kedalaman ditentukan oleh beberapa faktor - kekonduksian terma, kebolehtelapan batu, berdekatan dengan ruang gunung berapi, dll.

Di bawah tali pinggang suhu malar terdapat peningkatan suhu, secara purata 1 o setiap 33 m ( peringkat geoterma) atau 3 o setiap 100 m ( kecerunan geoterma). Nilai-nilai ini adalah penunjuk medan haba Bumi. Jelas bahawa nilai-nilai ini adalah purata dan berbeza dalam magnitud di kawasan atau zon Bumi yang berbeza. Langkah geoterma adalah berbeza pada titik yang berbeza di Bumi. Sebagai contoh, di Moscow - 38.4 m, di Leningrad 19.6, di Arkhangelsk - 10. Jadi, apabila menggerudi telaga dalam di Semenanjung Kola pada kedalaman 12 km, suhu 150 ° diandaikan, sebenarnya ia ternyata kira-kira 220 darjah. Apabila menggerudi telaga di utara Caspian pada kedalaman 3000 m, suhu diandaikan 150 darjah, tetapi ternyata 108 darjah.

Perlu diingatkan bahawa ciri iklim kawasan dan purata suhu tahunan tidak menjejaskan perubahan nilai langkah geoterma, sebabnya terletak pada perkara berikut:

1) dalam kekonduksian terma yang berbeza bagi batuan yang membentuk kawasan tertentu. Di bawah ukuran kekonduksian terma difahami jumlah haba dalam kalori yang dipindahkan dalam 1 saat. Melalui keratan 1 cm 2 dengan kecerunan suhu 1 o C;

2) dalam keradioaktifan batu, semakin besar kekonduksian terma dan radioaktiviti, semakin rendah langkah geoterma;

3) dalam keadaan yang berbeza kejadian batu dan umur kejadiannya; pemerhatian telah menunjukkan bahawa suhu meningkat lebih cepat dalam lapisan yang dikumpulkan dalam lipatan, mereka sering mengalami pelanggaran (retak), di mana akses haba dari kedalaman dipermudahkan;

4) sifat air bawah tanah: air bawah tanah panas mengalir batu-batu hangat, yang sejuk sejuk;

5) terpencil dari lautan: berhampiran lautan kerana penyejukan batu oleh jisim air, langkah geoterma lebih besar, dan pada sentuhan ia lebih kecil.

Mengetahui nilai khusus langkah geoterma adalah sangat penting.

1. Ini penting semasa mereka bentuk lombong. Dalam sesetengah kes, perlu mengambil langkah untuk menurunkan suhu secara buatan dalam kerja yang mendalam (suhu - 50 ° C adalah had untuk seseorang di udara kering dan 40 ° C dalam udara basah); dalam yang lain, ia akan menjadi mungkin untuk bekerja dengan sangat mendalam.

2. Penilaian keadaan suhu semasa membuat terowong di kawasan pergunungan adalah amat penting.

3. Kajian tentang keadaan geoterma bahagian dalam Bumi memungkinkan penggunaan wap dan mata air panas yang muncul di permukaan Bumi. Haba bawah tanah digunakan, contohnya, di Itali, Iceland; di Rusia, sebuah loji janakuasa industri eksperimen telah dibina di atas haba semula jadi di Kamchatka.

Menggunakan data mengenai saiz langkah geoterma, seseorang boleh membuat beberapa andaian tentang keadaan suhu zon dalam Bumi. Jika kita mengambil nilai purata langkah geoterma sebagai 33 m dan mengandaikan bahawa peningkatan suhu dengan kedalaman berlaku sama rata, maka pada kedalaman 100 km akan terdapat suhu 3000 ° C. Suhu ini melebihi takat lebur semua bahan yang diketahui di Bumi, oleh itu, pada kedalaman ini harus ada jisim cair . Tetapi disebabkan tekanan besar 31,000 atm. Jisim superheated tidak mempunyai ciri-ciri cecair, tetapi dikurniakan ciri-ciri badan pepejal.

Dengan kedalaman, langkah geoterma nampaknya meningkat dengan ketara. Jika kita mengandaikan bahawa langkah itu tidak berubah dengan kedalaman, maka suhu di tengah-tengah Bumi hendaklah kira-kira 200,000 darjah, dan mengikut pengiraan, ia tidak boleh melebihi 5000 - 10,000 darjah.

Di negara kita, yang kaya dengan hidrokarbon, tenaga geoterma adalah sejenis sumber eksotik yang, dalam keadaan semasa, tidak mungkin bersaing dengan minyak dan gas. Namun begitu, bentuk tenaga alternatif ini boleh digunakan hampir di mana-mana dan dengan cekap.

Tenaga geoterma ialah haba dalaman bumi. Ia dihasilkan di kedalaman dan datang ke permukaan Bumi dalam bentuk yang berbeza dan dengan intensiti yang berbeza.

Suhu lapisan atas tanah bergantung terutamanya kepada faktor luaran (eksogen) - cahaya matahari dan suhu udara. Pada musim panas dan pada siang hari, tanah menjadi panas sehingga kedalaman tertentu, dan pada musim sejuk dan pada waktu malam ia menjadi sejuk berikutan perubahan suhu udara dan dengan sedikit kelewatan, meningkat dengan kedalaman. Pengaruh turun naik harian dalam suhu udara berakhir pada kedalaman dari beberapa hingga beberapa puluh sentimeter. Turun naik bermusim menangkap lapisan tanah yang lebih dalam - sehingga berpuluh-puluh meter.

Pada kedalaman tertentu - dari puluhan hingga ratusan meter - suhu tanah dikekalkan malar, sama dengan purata suhu udara tahunan berhampiran permukaan Bumi. Ini mudah untuk disahkan dengan turun ke dalam gua yang agak dalam.

Apabila purata suhu udara tahunan di kawasan tertentu adalah di bawah sifar, ini menunjukkan dirinya sebagai permafrost (lebih tepat lagi, permafrost). Di Siberia Timur, ketebalan, iaitu, ketebalan, tanah beku sepanjang tahun mencapai 200-300 m di tempat.

Dari kedalaman tertentu (yang tersendiri untuk setiap titik pada peta), kesan Matahari dan atmosfera menjadi lemah sehingga faktor endogen (dalaman) didahulukan dan bahagian dalam bumi dipanaskan dari dalam, supaya suhu mula menjadi naik dengan mendalam.

Pemanasan lapisan dalam Bumi dikaitkan terutamanya dengan pereputan unsur radioaktif yang terletak di sana, walaupun sumber haba lain juga dinamakan, sebagai contoh, proses fizikokimia, tektonik dalam lapisan dalam kerak bumi dan mantel. Tetapi apa pun puncanya, suhu batu dan bahan cecair dan gas yang berkaitan meningkat dengan kedalaman. Pelombong menghadapi fenomena ini - ia sentiasa panas di lombong yang dalam. Pada kedalaman 1 km, haba tiga puluh darjah adalah normal, dan lebih dalam suhu lebih tinggi.

Aliran haba bahagian dalam bumi, mencapai permukaan Bumi, adalah kecil - secara purata, kuasanya ialah 0.03–0.05 W / m 2, atau kira-kira 350 W h / m 2 setahun. Dengan latar belakang aliran haba dari Matahari dan udara yang dipanaskan olehnya, ini adalah nilai yang tidak dapat dilihat: Matahari memberikan setiap meter persegi permukaan bumi kira-kira 4000 kWj setiap tahun, iaitu, 10,000 kali lebih banyak (sudah tentu, ini adalah secara purata, dengan penyebaran besar antara latitud kutub dan khatulistiwa dan bergantung kepada faktor iklim dan cuaca yang lain).

Ketidakpentingan aliran haba dari kedalaman ke permukaan di kebanyakan planet ini dikaitkan dengan kekonduksian terma rendah batuan dan keanehan struktur geologi. Tetapi terdapat pengecualian - tempat di mana aliran haba adalah tinggi. Ini adalah, pertama sekali, zon sesar tektonik, peningkatan aktiviti seismik dan gunung berapi, di mana tenaga dalaman bumi mencari jalan keluar. Zon sedemikian dicirikan oleh anomali terma litosfera, di sini aliran haba yang sampai ke permukaan Bumi boleh berkali-kali dan bahkan urutan magnitud lebih kuat daripada yang "biasa". Sebilangan besar haba dibawa ke permukaan di zon ini oleh letusan gunung berapi dan mata air panas.

Kawasan inilah yang paling sesuai untuk pembangunan tenaga geoterma. Di wilayah Rusia, ini adalah, pertama sekali, Kamchatka, Kepulauan Kuril dan Caucasus.

Pada masa yang sama, pembangunan tenaga panas bumi mungkin hampir di mana-mana, kerana peningkatan suhu dengan kedalaman adalah fenomena di mana-mana, dan tugasnya adalah untuk "mengeluarkan" haba dari usus, sama seperti bahan mentah mineral diekstrak dari sana.

Secara purata, suhu meningkat dengan kedalaman sebanyak 2.5–3°C untuk setiap 100 m. Nisbah perbezaan suhu antara dua titik yang terletak pada kedalaman yang berbeza kepada perbezaan kedalaman di antara mereka dipanggil kecerunan geoterma.

Timbal balik ialah langkah geoterma, atau selang kedalaman di mana suhu meningkat sebanyak 1°C.

Semakin tinggi kecerunan dan, oleh itu, semakin rendah langkahnya, semakin dekat haba kedalaman Bumi menghampiri permukaan dan semakin menjanjikan kawasan ini untuk pembangunan tenaga geoterma.

Di kawasan yang berbeza, bergantung pada struktur geologi dan keadaan serantau dan tempatan yang lain, kadar peningkatan suhu dengan kedalaman boleh berubah secara mendadak. Pada skala Bumi, turun naik nilai kecerunan dan langkah geoterma mencapai 25 kali ganda. Sebagai contoh, di negeri Oregon (AS) kecerunan ialah 150°C setiap 1 km, dan di Afrika Selatan ialah 6°C setiap 1 km.

Persoalannya, apakah suhu pada kedalaman yang hebat - 5, 10 km atau lebih? Jika trend berterusan, suhu pada kedalaman 10 km sepatutnya purata sekitar 250–300°C. Ini lebih kurang disahkan oleh pemerhatian langsung di telaga ultradeep, walaupun gambarnya jauh lebih rumit daripada peningkatan suhu secara linear.

Contohnya, dalam telaga superdeep Kola yang digerudi di Baltic Crystalline Shield, suhu berubah pada kadar 10°C/1 km hingga kedalaman 3 km, dan kemudian kecerunan geoterma menjadi 2–2.5 kali lebih besar. Pada kedalaman 7 km, suhu 120°C telah pun direkodkan, pada 10 km - 180°C, dan pada 12 km - 220°C.

Contoh lain ialah telaga yang diletakkan di Kaspia Utara, di mana pada kedalaman 500 m suhu 42°C direkodkan, pada 1.5 km - 70°C, pada 2 km - 80°C, pada 3 km - 108°C.

Diandaikan bahawa kecerunan geoterma berkurangan bermula dari kedalaman 20–30 km: pada kedalaman 100 km, anggaran suhu adalah kira-kira 1300–1500°C, pada kedalaman 400 km - 1600°C, di Bumi. teras (kedalaman lebih daripada 6000 km) - 4000–5000° C.

Pada kedalaman sehingga 10–12 km, suhu diukur melalui telaga yang digerudi; di mana ia tidak wujud, ia ditentukan oleh tanda tidak langsung dengan cara yang sama seperti pada kedalaman yang lebih mendalam. Tanda-tanda tidak langsung tersebut mungkin sifat laluan gelombang seismik atau suhu lava yang meletus.

Walau bagaimanapun, untuk tujuan tenaga geoterma, data mengenai suhu pada kedalaman lebih daripada 10 km masih belum menarik minat praktikal.

Terdapat banyak haba pada kedalaman beberapa kilometer, tetapi bagaimana untuk menaikkannya? Kadang-kadang alam semula jadi sendiri menyelesaikan masalah ini untuk kita dengan bantuan penyejuk semula jadi - air terma yang dipanaskan yang muncul ke permukaan atau terletak pada kedalaman yang boleh diakses oleh kita. Dalam sesetengah kes, air di kedalaman dipanaskan kepada keadaan wap.

Tiada definisi yang ketat tentang konsep "air terma". Sebagai peraturan, mereka bermaksud air bawah tanah panas dalam keadaan cair atau dalam bentuk wap, termasuk yang datang ke permukaan Bumi dengan suhu di atas 20 ° C, iaitu, sebagai peraturan, lebih tinggi daripada suhu udara.

Haba air bawah tanah, wap, campuran air wap adalah tenaga hidroterma. Sehubungan itu, tenaga berdasarkan penggunaannya dipanggil hidroterma.

Keadaan ini lebih rumit dengan pengeluaran haba terus dari batu kering - tenaga petroterma, terutamanya kerana suhu yang cukup tinggi, sebagai peraturan, bermula dari kedalaman beberapa kilometer.

Di wilayah Rusia, potensi tenaga petroterma adalah seratus kali lebih tinggi daripada tenaga hidroterma - masing-masing 3,500 dan 35 trilion tan bahan api standard. Ini agak semula jadi - kehangatan kedalaman Bumi ada di mana-mana, dan perairan terma ditemui secara tempatan. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kesukaran teknikal yang jelas, kebanyakan air terma pada masa ini digunakan untuk menjana haba dan elektrik.

Suhu air dari 20-30 hingga 100°C sesuai untuk pemanasan, suhu dari 150°C dan ke atas - dan untuk penjanaan elektrik di loji kuasa geoterma.

Secara umum, sumber geoterma di wilayah Rusia, dari segi tan bahan api rujukan atau mana-mana unit pengukuran tenaga lain, adalah kira-kira 10 kali lebih tinggi daripada rizab bahan api fosil.

Secara teorinya, hanya tenaga geoterma yang dapat memenuhi sepenuhnya keperluan tenaga negara. Dalam amalan, pada masa ini, di kebanyakan wilayahnya, ini tidak dapat dilaksanakan atas sebab teknikal dan ekonomi.

Di dunia, penggunaan tenaga panas bumi paling kerap dikaitkan dengan Iceland - sebuah negara yang terletak di hujung utara Mid-Atlantic Ridge, dalam zon tektonik dan gunung berapi yang sangat aktif. Mungkin semua orang masih ingat letusan kuat gunung berapi Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) pada tahun 2010.

Berkat kekhususan geologi inilah Iceland mempunyai rizab tenaga panas bumi yang besar, termasuk mata air panas yang datang ke permukaan Bumi dan juga memancar dalam bentuk geiser.

Di Iceland, lebih daripada 60% daripada semua tenaga yang digunakan pada masa ini diambil dari Bumi. Termasuk disebabkan oleh sumber geoterma, 90% pemanasan dan 30% penjanaan elektrik disediakan. Kami menambah bahawa selebihnya tenaga elektrik di negara ini dihasilkan oleh loji janakuasa hidroelektrik, iaitu, juga menggunakan sumber tenaga boleh diperbaharui, terima kasih kepada Iceland yang kelihatan seperti sejenis piawaian alam sekitar global.

"Penjinakkan" tenaga geoterma pada abad ke-20 membantu Iceland dengan ketara dari segi ekonomi. Sehingga pertengahan abad yang lalu, ia adalah sebuah negara yang sangat miskin, kini ia menduduki tempat pertama di dunia dari segi kapasiti terpasang dan pengeluaran tenaga geoterma per kapita, dan berada dalam sepuluh teratas dari segi kapasiti terpasang mutlak kuasa geoterma. tumbuhan. Walau bagaimanapun, penduduknya hanya 300 ribu orang, yang memudahkan tugas beralih kepada sumber tenaga mesra alam: keperluan untuknya secara amnya kecil.

Sebagai tambahan kepada Iceland, bahagian tenaga panas bumi yang tinggi dalam jumlah baki pengeluaran elektrik disediakan di New Zealand dan negara-negara pulau di Asia Tenggara (Filipina dan Indonesia), negara-negara Amerika Tengah dan Afrika Timur, yang wilayahnya juga dicirikan. oleh aktiviti seismik dan gunung berapi yang tinggi. Bagi negara-negara ini, pada tahap pembangunan dan keperluan semasa mereka, tenaga geoterma memberi sumbangan besar kepada pembangunan sosio-ekonomi.

Penggunaan tenaga geoterma mempunyai sejarah yang sangat panjang. Salah satu contoh pertama yang diketahui ialah Itali, sebuah tempat di wilayah Tuscany, kini dipanggil Larderello, di mana, seawal awal abad ke-19, air panas tempatan, mengalir secara semula jadi atau diekstrak dari telaga cetek, digunakan untuk tenaga. tujuan.

Air dari sumber bawah tanah, kaya dengan boron, digunakan di sini untuk mendapatkan asid borik. Pada mulanya, asid ini diperoleh melalui penyejatan dalam dandang besi, dan kayu api biasa diambil sebagai bahan bakar dari hutan berdekatan, tetapi pada tahun 1827 Francesco Larderel mencipta sistem yang bekerja pada haba air itu sendiri. Pada masa yang sama, tenaga wap air semula jadi mula digunakan untuk operasi pelantar penggerudian, dan pada awal abad ke-20, untuk memanaskan rumah dan rumah hijau tempatan. Di tempat yang sama, di Larderello, pada tahun 1904, wap air terma menjadi sumber tenaga untuk menjana elektrik.

Contoh Itali pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20 diikuti oleh beberapa negara lain. Sebagai contoh, pada tahun 1892, air terma pertama kali digunakan untuk pemanasan tempatan di Amerika Syarikat (Boise, Idaho), pada tahun 1919 - di Jepun, pada tahun 1928 - di Iceland.

Di Amerika Syarikat, loji kuasa hidroterma pertama muncul di California pada awal 1930-an, di New Zealand - pada tahun 1958, di Mexico - pada tahun 1959, di Rusia (GeoPP binari pertama di dunia) - pada tahun 1965 .

Prinsip lama pada sumber baru

Penjanaan elektrik memerlukan suhu sumber air yang lebih tinggi daripada pemanasan, melebihi 150°C. Prinsip operasi loji janakuasa geoterma (GeoES) adalah serupa dengan prinsip operasi loji janakuasa haba konvensional (TPP). Malah, loji janakuasa geoterma adalah sejenis loji kuasa haba.

Di loji kuasa haba, sebagai peraturan, arang batu, gas atau minyak bahan api bertindak sebagai sumber tenaga utama, dan wap air berfungsi sebagai bendalir kerja. Bahan api, pembakaran, memanaskan air kepada keadaan stim, yang memutarkan turbin stim, dan ia menjana elektrik.

Perbezaan antara GeoPP ialah sumber tenaga utama di sini adalah haba dalaman bumi dan bendalir kerja dalam bentuk stim memasuki bilah turbin penjana elektrik dalam bentuk "sedia" terus dari telaga pengeluaran.

Terdapat tiga skim utama operasi GeoPP: terus, menggunakan wap kering (geoterma); tidak langsung, berdasarkan air hidroterma, dan bercampur, atau binari.

Penggunaan satu atau skim lain bergantung pada keadaan pengagregatan dan suhu pembawa tenaga.

Skim yang paling mudah dan oleh itu yang pertama dikuasai adalah yang langsung, di mana wap yang datang dari telaga disalurkan terus melalui turbin. GeoPP pertama di dunia di Larderello pada tahun 1904 juga beroperasi pada wap kering.

GeoPP dengan skim operasi tidak langsung adalah yang paling biasa pada zaman kita. Mereka menggunakan air bawah tanah yang panas, yang dipam di bawah tekanan tinggi ke dalam penyejat, di mana sebahagian daripadanya tersejat, dan wap yang terhasil memutar turbin. Dalam sesetengah kes, peranti dan litar tambahan diperlukan untuk membersihkan air panas bumi dan wap daripada sebatian yang agresif.

Stim ekzos memasuki telaga suntikan atau digunakan untuk pemanasan ruang - dalam kes ini, prinsipnya adalah sama seperti semasa operasi CHP.

Pada GeoPP binari, air terma panas berinteraksi dengan cecair lain yang bertindak sebagai cecair kerja dengan takat didih yang lebih rendah. Kedua-dua cecair disalurkan melalui penukar haba, di mana air terma menyejat cecair kerja, wapnya memutarkan turbin.

Prinsip operasi GeoPP binari. Air terma panas berinteraksi dengan cecair lain yang bertindak sebagai cecair kerja dan mempunyai takat didih yang lebih rendah. Kedua-dua cecair disalurkan melalui penukar haba, di mana air terma menyejat cecair kerja, wapnya, seterusnya, memutarkan turbin.

Sistem ini ditutup, yang menyelesaikan masalah pelepasan ke atmosfera. Di samping itu, cecair bekerja dengan takat didih yang agak rendah memungkinkan untuk menggunakan air terma yang tidak terlalu panas sebagai sumber tenaga utama.

Ketiga-tiga skim menggunakan sumber hidroterma, tetapi tenaga petroterma juga boleh digunakan untuk menjana elektrik.

Gambar rajah litar dalam kes ini juga agak mudah. Ia adalah perlu untuk menggerudi dua telaga yang saling berkaitan - suntikan dan pengeluaran. Air dipam ke dalam perigi suntikan. Pada kedalaman, ia menjadi panas, kemudian air atau wap yang dipanaskan yang terbentuk akibat pemanasan yang kuat dibekalkan ke permukaan melalui telaga pengeluaran. Selanjutnya, semuanya bergantung pada bagaimana tenaga petroterma digunakan - untuk pemanasan atau untuk pengeluaran elektrik. Kitaran tertutup boleh dilakukan dengan mengepam wap ekzos dan air kembali ke dalam perigi suntikan atau kaedah pelupusan lain.

Skim sistem petroterma. Sistem ini berdasarkan penggunaan kecerunan suhu antara permukaan bumi dan dalamannya, di mana suhunya lebih tinggi. Air dari permukaan dipam ke dalam telaga suntikan dan dipanaskan pada kedalaman, kemudian air yang dipanaskan atau wap yang terbentuk akibat pemanasan dibekalkan ke permukaan melalui telaga pengeluaran.

Kelemahan sistem sedemikian adalah jelas: untuk mendapatkan suhu cecair kerja yang cukup tinggi, perlu menggerudi telaga dengan kedalaman yang besar. Dan ini adalah kos yang serius dan risiko kehilangan haba yang ketara apabila bendalir bergerak ke atas. Oleh itu, sistem petroterma masih kurang biasa berbanding sistem hidroterma, walaupun potensi tenaga petroterma adalah urutan magnitud yang lebih tinggi.

Pada masa ini, peneraju dalam penciptaan sistem peredaran petroterma (PCS) yang dipanggil adalah Australia. Di samping itu, arah tenaga geoterma ini sedang berkembang secara aktif di Amerika Syarikat, Switzerland, Great Britain, dan Jepun.

Hadiah daripada Lord Kelvin

Penciptaan pam haba pada tahun 1852 oleh ahli fizik William Thompson (aka Lord Kelvin) memberikan manusia peluang sebenar untuk menggunakan haba gred rendah lapisan atas tanah. Sistem pam haba, atau pengganda haba seperti yang dipanggil Thompson, adalah berdasarkan proses fizikal pemindahan haba dari persekitaran ke penyejuk. Malah, ia menggunakan prinsip yang sama seperti dalam sistem petroterma. Perbezaannya adalah dalam sumber haba, yang berkaitan dengan persoalan istilah mungkin timbul: sejauh manakah pam haba boleh dianggap sebagai sistem geoterma? Hakikatnya ialah di lapisan atas, hingga kedalaman puluhan atau ratusan meter, batuan dan cecair yang terkandung di dalamnya dipanaskan bukan oleh haba bumi yang dalam, tetapi oleh matahari. Oleh itu, ia adalah matahari dalam kes ini yang merupakan sumber utama haba, walaupun ia diambil, seperti dalam sistem geoterma, dari bumi.

Operasi pam haba adalah berdasarkan kelewatan dalam pemanasan dan penyejukan tanah berbanding dengan atmosfera, akibatnya kecerunan suhu terbentuk di antara permukaan dan lapisan yang lebih dalam, yang mengekalkan haba walaupun pada musim sejuk, serupa dengan bagaimana ia berlaku di dalam takungan. Tujuan utama pam haba ialah pemanasan ruang. Malah, ia adalah "peti sejuk terbalik". Kedua-dua pam haba dan peti sejuk berinteraksi dengan tiga komponen: persekitaran dalaman (dalam kes pertama - bilik yang dipanaskan, di kedua - ruang peti sejuk yang disejukkan), persekitaran luaran - sumber tenaga dan penyejuk (penyejuk), yang juga merupakan penyejuk yang menyediakan pemindahan haba atau sejuk.

Bahan dengan takat didih yang rendah bertindak sebagai penyejuk, yang membolehkannya mengambil haba daripada sumber yang mempunyai suhu yang agak rendah sekalipun.

Di dalam peti sejuk, bahan penyejuk cecair memasuki penyejat melalui pendikit (pengatur tekanan), di mana, disebabkan penurunan tekanan yang mendadak, cecair menyejat. Penyejatan adalah proses endotermik yang memerlukan haba diserap dari luar. Akibatnya, haba diambil dari dinding dalaman penyejat, yang memberikan kesan penyejukan di dalam ruang peti sejuk. Lebih jauh dari penyejat, penyejuk disedut ke dalam pemampat, di mana ia kembali ke keadaan cair terkumpul. Ini adalah proses sebaliknya, yang membawa kepada pembebasan haba yang diambil ke dalam persekitaran luaran. Sebagai peraturan, ia dibuang ke dalam bilik, dan dinding belakang peti sejuk agak hangat.

Pam haba berfungsi dengan cara yang hampir sama, dengan perbezaan haba diambil dari persekitaran luaran dan memasuki persekitaran dalaman melalui penyejat - sistem pemanasan bilik.

Dalam pam haba sebenar, air dipanaskan, melalui litar luaran yang diletakkan di dalam tanah atau takungan, kemudian memasuki penyejat.

Dalam penyejat, haba dipindahkan ke litar dalaman yang diisi dengan penyejuk dengan takat didih yang rendah, yang, melalui penyejat, berubah dari keadaan cecair ke keadaan gas, mengambil haba.

Selanjutnya, bahan pendingin gas memasuki pemampat, di mana ia dimampatkan kepada tekanan dan suhu tinggi, dan memasuki pemeluwap, di mana pertukaran haba berlaku antara gas panas dan pembawa haba dari sistem pemanasan.

Pemampat memerlukan tenaga elektrik untuk beroperasi, bagaimanapun, nisbah transformasi (nisbah tenaga yang digunakan dan dihasilkan) dalam sistem moden cukup tinggi untuk memastikan kecekapannya.

Pada masa ini, pam haba digunakan secara meluas untuk pemanasan ruang, terutamanya di negara maju dari segi ekonomi.

Tenaga eko-betul

Tenaga geoterma dianggap mesra alam, yang secara amnya benar. Pertama sekali, ia menggunakan sumber yang boleh diperbaharui dan boleh dikatakan tidak habis-habis. Tenaga geoterma tidak memerlukan kawasan yang luas, tidak seperti loji kuasa hidroelektrik besar atau ladang angin, dan tidak mencemarkan atmosfera, tidak seperti tenaga hidrokarbon. Secara purata, GeoPP menduduki 400 m 2 dari segi 1 GW tenaga elektrik yang dijana. Angka yang sama untuk loji janakuasa haba arang batu, sebagai contoh, ialah 3600 m 2. Faedah alam sekitar GeoPP juga termasuk penggunaan air yang rendah - 20 liter air tawar setiap 1 kW, manakala loji kuasa haba dan loji kuasa nuklear memerlukan kira-kira 1000 liter. Ambil perhatian bahawa ini ialah penunjuk alam sekitar bagi GeoPP "purata".

Tetapi masih terdapat kesan sampingan yang negatif. Antaranya, bunyi bising, pencemaran haba atmosfera dan pencemaran kimia air dan tanah, serta pembentukan sisa pepejal paling kerap dibezakan.

Sumber utama pencemaran kimia alam sekitar adalah air terma itu sendiri (dengan suhu dan kemasinan yang tinggi), yang selalunya mengandungi sejumlah besar sebatian toksik, dan oleh itu terdapat masalah air sisa dan pelupusan bahan berbahaya.

Kesan negatif tenaga geoterma boleh dikesan pada beberapa peringkat, bermula dengan telaga penggerudian. Di sini, bahaya yang sama timbul seperti ketika menggerudi mana-mana telaga: pemusnahan tanah dan penutup tumbuh-tumbuhan, pencemaran tanah dan air bawah tanah.

Pada peringkat operasi GeoPP, masalah pencemaran alam sekitar berterusan. Cecair terma - air dan wap - biasanya mengandungi karbon dioksida (CO 2), sulfur sulfida (H 2 S), ammonia (NH 3), metana (CH 4), garam biasa (NaCl), boron (B), arsenik (As). ), merkuri (Hg). Apabila dilepaskan ke alam sekitar, ia menjadi sumber pencemaran. Selain itu, persekitaran kimia yang agresif boleh menyebabkan kerosakan kakisan pada struktur GeoTPP.

Pada masa yang sama, pelepasan bahan pencemar di GeoPP secara purata lebih rendah daripada di TPP. Sebagai contoh, pelepasan karbon dioksida bagi setiap kilowatt-jam tenaga elektrik yang dijana adalah sehingga 380 g di GeoPP, 1042 g di loji janakuasa haba arang batu, 906 g pada minyak bahan api dan 453 g pada loji janakuasa terma gas.

Persoalannya timbul: apa yang perlu dilakukan dengan air buangan? Dengan kemasinan yang rendah, selepas penyejukan, ia boleh dilepaskan ke dalam air permukaan. Cara lain adalah dengan mengepamnya semula ke dalam akuifer melalui telaga suntikan, yang merupakan amalan pilihan dan utama pada masa ini.

Pengekstrakan air terma daripada akuifer (serta mengepam keluar air biasa) boleh menyebabkan penenggelaman dan pergerakan tanah, ubah bentuk lain lapisan geologi, dan gempa bumi mikro. Kebarangkalian fenomena sedemikian biasanya rendah, walaupun kes individu telah direkodkan (contohnya, di GeoPP di Staufen im Breisgau di Jerman).

Perlu ditegaskan bahawa kebanyakan GeoPP terletak di kawasan yang agak jarang penduduknya dan di negara dunia ketiga, di mana keperluan alam sekitar kurang ketat berbanding di negara maju. Di samping itu, pada masa ini bilangan GeoPP dan kapasitinya agak kecil. Dengan pembangunan tenaga geoterma yang lebih besar, risiko alam sekitar boleh meningkat dan berganda.

Berapakah tenaga Bumi?

Kos pelaburan untuk pembinaan sistem geoterma berbeza-beza dalam julat yang sangat luas - dari 200 hingga 5000 dolar setiap 1 kW kapasiti terpasang, iaitu, pilihan termurah adalah setanding dengan kos membina loji kuasa haba. Mereka bergantung, pertama sekali, pada keadaan berlakunya air terma, komposisi mereka, dan reka bentuk sistem. Penggerudian ke kedalaman yang besar, mewujudkan sistem tertutup dengan dua telaga, keperluan untuk rawatan air boleh melipatgandakan kos.

Sebagai contoh, pelaburan dalam penciptaan sistem peredaran petroterma (PTS) dianggarkan pada 1.6–4 ribu dolar setiap 1 kW kapasiti terpasang, yang melebihi kos membina loji tenaga nuklear dan setanding dengan kos membina angin dan loji tenaga solar.

Kelebihan ekonomi yang jelas bagi GeoTPP ialah pembawa tenaga percuma. Sebagai perbandingan, dalam struktur kos loji kuasa haba atau loji kuasa nuklear yang beroperasi, bahan api menyumbang 50–80% atau lebih, bergantung pada harga tenaga semasa. Oleh itu, satu lagi kelebihan sistem geoterma: kos operasi adalah lebih stabil dan boleh diramal, kerana ia tidak bergantung pada konjungtur luaran harga tenaga. Secara umum, kos operasi GeoTPP dianggarkan pada 2–10 sen (60 kopecks–3 rubel) setiap 1 kWj kapasiti terjana.

Item perbelanjaan kedua terbesar (dan sangat penting) selepas pembawa tenaga ialah, sebagai peraturan, gaji kakitangan stesen, yang boleh berbeza-beza secara mendadak mengikut negara dan wilayah.

Secara purata, kos 1 kWj tenaga panas bumi adalah setanding dengan loji kuasa haba (dalam keadaan Rusia - kira-kira 1 rubel / 1 kWj) dan sepuluh kali lebih tinggi daripada kos penjanaan elektrik di loji kuasa hidroelektrik (5–10 kopecks / 1 kWj).

Sebahagian daripada sebab kos yang tinggi ialah, tidak seperti loji kuasa terma dan hidraulik, GeoTPP mempunyai kapasiti yang agak kecil. Di samping itu, adalah perlu untuk membandingkan sistem yang terletak di rantau yang sama dan dalam keadaan yang sama. Jadi, sebagai contoh, di Kamchatka, menurut pakar, 1 kWj kos elektrik geoterma 2-3 kali lebih murah daripada elektrik yang dihasilkan di loji janakuasa haba tempatan.

Penunjuk kecekapan ekonomi sistem geoterma bergantung, sebagai contoh, sama ada perlu untuk membuang air sisa dan dalam cara apa ini dilakukan, sama ada penggunaan gabungan sumber itu mungkin. Oleh itu, unsur kimia dan sebatian yang diekstrak daripada air terma boleh memberikan pendapatan tambahan. Ingat contoh Larderello: ia adalah pengeluaran kimia yang utama di sana, dan penggunaan tenaga geoterma pada mulanya bersifat tambahan.

Tenaga Geoterma Hadapan

Tenaga geoterma berkembang agak berbeza daripada angin dan solar. Pada masa ini, ia sebahagian besarnya bergantung pada sifat sumber itu sendiri, yang berbeza secara mendadak mengikut kawasan, dan kepekatan tertinggi terikat dengan zon sempit anomali geoterma, biasanya dikaitkan dengan kawasan sesar tektonik dan gunung berapi.

Di samping itu, tenaga geoterma adalah kurang kapasiti teknologi berbanding angin dan lebih-lebih lagi dengan tenaga suria: sistem stesen geoterma agak mudah.

Dalam struktur keseluruhan pengeluaran elektrik dunia, komponen geoterma menyumbang kurang daripada 1%, tetapi di beberapa wilayah dan negara bahagiannya mencapai 25-30%. Disebabkan oleh kaitan dengan keadaan geologi, sebahagian besar kapasiti tenaga geoterma tertumpu di negara dunia ketiga, di mana terdapat tiga kelompok pembangunan terbesar industri - pulau-pulau di Asia Tenggara, Amerika Tengah dan Afrika Timur. Dua wilayah pertama adalah sebahagian daripada "Fire Belt of the Earth" Pasifik, yang ketiga terikat dengan Rift Afrika Timur. Dengan kebarangkalian yang paling besar, tenaga geoterma akan terus berkembang dalam tali pinggang ini. Prospek yang lebih jauh ialah pembangunan tenaga petroterma, menggunakan haba lapisan bumi yang terletak pada kedalaman beberapa kilometer. Ini adalah sumber yang hampir ada di mana-mana, tetapi pengekstrakannya memerlukan kos yang tinggi, jadi tenaga petroterma sedang membangun terutamanya di negara yang paling berkuasa dari segi ekonomi dan teknologi.

Secara umumnya, memandangkan keluasan sumber geoterma dan tahap keselamatan alam sekitar yang boleh diterima, terdapat sebab untuk mempercayai bahawa tenaga geoterma mempunyai prospek pembangunan yang baik. Terutama dengan ancaman yang semakin meningkat kekurangan pembawa tenaga tradisional dan kenaikan harga untuk mereka.

Dari Kamchatka ke Caucasus

Di Rusia, pembangunan tenaga geoterma mempunyai sejarah yang agak panjang, dan dalam beberapa kedudukan kami adalah antara pemimpin dunia, walaupun bahagian tenaga geoterma dalam keseimbangan tenaga keseluruhan sebuah negara yang besar masih diabaikan.

Perintis dan pusat pembangunan tenaga panas bumi di Rusia adalah dua wilayah - Kamchatka dan Caucasus Utara, dan jika dalam kes pertama kita bercakap terutamanya mengenai industri tenaga elektrik, maka di kedua - mengenai penggunaan tenaga haba air terma.

Di Caucasus Utara - di Wilayah Krasnodar, Chechnya, Dagestan - haba air terma digunakan untuk tujuan tenaga walaupun sebelum Perang Patriotik Besar. Pada 1980-an–1990-an, pembangunan tenaga geoterma di rantau ini, atas sebab-sebab yang jelas, terhenti dan belum pulih daripada keadaan genangan. Walau bagaimanapun, bekalan air panas bumi di Caucasus Utara menyediakan haba untuk kira-kira 500 ribu orang, dan, sebagai contoh, bandar Labinsk di Wilayah Krasnodar dengan populasi 60 ribu orang dipanaskan sepenuhnya oleh perairan geoterma.

Di Kamchatka, sejarah tenaga geoterma dikaitkan terutamanya dengan pembinaan GeoPP. Yang pertama daripada mereka, masih mengendalikan stesen Pauzhetskaya dan Paratunskaya, dibina pada tahun 1965–1967, manakala GeoPP Paratunskaya dengan kapasiti 600 kW menjadi stesen pertama di dunia dengan kitaran binari. Ia adalah perkembangan saintis Soviet S. S. Kutateladze dan A. M. Rosenfeld dari Institut Fizik Terma Cawangan Siberia Akademi Sains Rusia, yang menerima pada tahun 1965 sijil hak cipta untuk mengekstrak elektrik dari air dengan suhu 70 ° C. Teknologi ini kemudiannya menjadi prototaip untuk lebih daripada 400 GeoPP binari di dunia.

Kapasiti GeoPP Pauzhetskaya, yang ditugaskan pada tahun 1966, pada mulanya adalah 5 MW dan kemudiannya meningkat kepada 12 MW. Pada masa ini, stesen itu sedang dalam pembinaan blok binari, yang akan meningkatkan kapasitinya sebanyak 2.5 MW lagi.

Perkembangan tenaga panas bumi di USSR dan Rusia terhalang oleh ketersediaan sumber tenaga tradisional - minyak, gas, arang batu, tetapi tidak pernah berhenti. Kemudahan kuasa geoterma terbesar pada masa ini ialah GeoPP Verkhne-Mutnovskaya dengan jumlah kapasiti unit kuasa 12 MW, yang ditugaskan pada tahun 1999, dan GeoPP Mutnovskaya dengan kapasiti 50 MW (2002).

Mutnovskaya dan Verkhne-Mutnovskaya GeoPP adalah objek unik bukan sahaja untuk Rusia, tetapi juga pada skala global. Stesen-stesen tersebut terletak di kaki gunung berapi Mutnovsky, pada ketinggian 800 meter di atas paras laut, dan beroperasi dalam keadaan iklim yang melampau, di mana musim sejuk selama 9-10 bulan setahun. Peralatan Mutnovsky GeoPP, yang kini merupakan salah satu yang paling moden di dunia, telah dibuat sepenuhnya di perusahaan domestik kejuruteraan kuasa.

Pada masa ini, bahagian stesen Mutnovsky dalam struktur keseluruhan penggunaan tenaga hab tenaga Kamchatka Tengah ialah 40%. Peningkatan kapasiti dirancang pada tahun-tahun akan datang.

Secara berasingan, ia harus dikatakan mengenai perkembangan petroterma Rusia. Kami belum mempunyai PDS yang besar, bagaimanapun, terdapat teknologi canggih untuk penggerudian ke kedalaman yang hebat (kira-kira 10 km), yang juga tidak mempunyai analog di dunia. Pembangunan selanjutnya mereka akan memungkinkan untuk mengurangkan secara drastik kos mencipta sistem petroterma. Pemaju teknologi dan projek ini ialah N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Institut Geologi Akademi Sains Rusia), A. S. Nekrasov (Institut Ramalan Ekonomi Akademi Sains Rusia) dan pakar dari Loji Turbin Kaluga. Pada masa ini, projek sistem peredaran petroterma di Rusia berada di peringkat perintis.

Terdapat prospek untuk tenaga geoterma di Rusia, walaupun ia agak jauh: pada masa ini, potensinya agak besar dan kedudukan tenaga tradisional adalah kukuh. Pada masa yang sama, di beberapa kawasan terpencil di negara ini, penggunaan tenaga geoterma menguntungkan dari segi ekonomi dan mendapat permintaan sehingga kini. Ini adalah wilayah yang mempunyai potensi geotenaga tinggi (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - bahagian Rusia "Fire Belt of the Earth" Pasifik, pergunungan Siberia Selatan dan Caucasus) dan pada masa yang sama terpencil dan terputus daripada tenaga terpusat bekalan.

Berkemungkinan dalam dekad yang akan datang, tenaga geoterma di negara kita akan berkembang dengan tepat di wilayah tersebut.

Kirill Degtyarev,
Penyelidik, Universiti Negeri Moscow M. V. Lomonosov
"Sains dan Kehidupan" No. 9, No. 10 2013